秸稈還田條件下水稻-瓜菜輪作對土壤肥力的影響

史云峰,周娜娜,黎 明,趙牧秋

(海南熱帶海洋學院 生命科學與生態學院, 海南 三亞 572022)

秸稈還田條件下水稻-瓜菜輪作對土壤肥力的影響

史云峰,周娜娜,黎 明,趙牧秋

(海南熱帶海洋學院 生命科學與生態學院, 海南 三亞 572022)

為了解秸稈還田條件下水稻-瓜菜輪作對土壤肥力的影響,本研究采用為期2年的連續田間試驗,分別設置水稻-水稻(SS)、水稻-西瓜(SX)、水稻-青瓜(SQ)、水稻-豇豆(SJ)、水稻-黃秋葵(SH)和水稻-草莓(SC)等6個處理,測定并比較了試驗前后土壤pH和土壤肥力指標的變化.研究結果表明,水稻連作時秸稈還田處理能夠顯著(P<0.05)提升土壤pH,但對土壤肥力無顯著(P<0.05)影響;水稻-瓜菜輪作時秸稈還田,不僅能使土壤pH升高,還能有效提升土壤有機質、全量養分(全氮、全磷、全鉀)及有效養分(堿解氮、有效磷、速效鉀)含量,但水稻與不同種類瓜菜輪作時對土壤肥力的影響存在差異.

秸稈還田;水稻;輪作;土壤肥力

0 引言

作物秸稈中含有大量碳、氮、磷、鉀等營養物質及豐富的微量元素[1],同時富含纖維素、木質素和蛋白質等有機物質[2].秸稈還田不僅能夠增加土壤中速效養分含量,還能提升土壤有機質水平[3],進而降低化肥用量,提高陸地土壤碳匯,優化農田生態環境,提升作物產量[4],同時還能起到改善土壤理化性狀、降低土壤板結和連作障礙等作用,被認為是一種資源、環保的農田培肥措施[5].另一方面,輪作也是一種值得提倡的農業耕作方式.輪作是指同一田地不同茬次有順序地輪換種植不同作物,是一種能夠維持地力、改善土壤環境的農業精細耕作技術[6],同時也可提升土壤微生物數量和酶活性,尤其對減輕連作障礙具有積極作用[7].

三亞地區的勞動人民在長期生產實踐中已形成非常穩定的春水稻-秋瓜菜水旱輪作模式,同時為了培肥地力也養成了水稻秸稈還田的良好耕作習慣[8].水稻生長期較長且需肥量少,瓜菜生長速度快且需肥量大,二者的養分需求特征明顯有異.本研究旨在探討秸稈還田條件下水稻-瓜菜輪作對土壤肥力的影響,以期為三亞地區水旱輪作農業生產中的養分管理提供指導.

1 材料與方法

1.1試驗地概況

試驗地位于三亞市天涯區妙林田洋(18°18′19″N,109°27′51″).所在地屬熱帶海洋性季風氣候,年平均氣溫25.4℃(最冷月21.0℃,最熱月28.5℃);年均降雨量1279～1625 mm,集中于4～10月;全年日照時數平均為2518.2 h,長夏無冬、秋春相連、陽光充足,適合發展熱帶農業.試驗地地勢平坦且肥力均勻、灌溉設施完備.土壤為磚紅壤水稻土,基礎肥力(JC)為:pH 4.75;有機質、全氮、全磷、全鉀含量分別為19.21、0.95、2.05、5.54 g/kg;堿解氮、有效磷、速效鉀含量分別為109.4、46.3、73.8 mg/kg.

1.2試驗設計

種植制度為春水稻-秋瓜菜輪作,水稻于每年2月份種植,7月份收獲;瓜菜于每年9月份種植,次年1月份結束.試驗于2015年春季開始,完成2次輪作循環,于2017年1月份結束.試驗共設6個處理:水稻-水稻連作(SS)、水稻-西瓜輪作(SX)、水稻-青瓜輪作(SQ)、水稻-豇豆輪作(SJ)、水稻-黃秋葵輪作(SH)和水稻-草莓輪作(SC);試驗采用隨機區組設計,3次重復.

每年于水稻收獲后,進行水稻秸稈留高茬還田,即作物收獲時將秸稈留下較長一部分,采用機械翻耕入土,秸稈還田量為2500 kg/hm2;瓜菜季殘余枝蔓不參與還田.肥料用量參照當地種植習慣,具體為:SS處理每茬施用尿素75 kg/hm2、復合肥(15-15-15)60 kg/hm2;各水稻-瓜菜輪作處理水稻季施肥與SS處理相同,瓜菜季施用商品有機肥7500 kg/hm2(基肥)、尿素750 kg/hm2(基肥、追肥合計)、復合肥1200 kg/hm2(基肥、追肥合計).

1.3樣品采集與測定

2017年1月份待所有瓜菜采摘完畢后,取耕層0～20 cm土壤樣品(“S”形取樣法),混勻、風干后待測.

土壤pH采用電極法測定,有機質采用重鉻酸鉀外加熱法測定,全氮采用凱氏定氮法測定,堿解氮采用擴散法測定,全磷采用酸溶-鉬銻抗比色法測定,有效磷采用Bray法測定,全鉀采用消煮-火焰光度法測定,速效鉀采用乙酸銨浸提-火焰光度法測定.

2 結果與分析

2.1秸稈還田條件下水稻-瓜菜輪作對土壤pH的影響

秸稈還田并實施水稻-瓜菜輪作2年后,各處理土壤的pH參見圖1.由研究結果可知,SS處理在每年5000 kg/hm2的秸稈還田和常規耕作管理條件下,其pH比初始(基礎肥力,JC)時提升0.53個單位.各水稻-瓜菜輪作處理,除SX外,與JC比較均有顯著(P<0.05)提升,但SH、SC兩處理土壤pH提升幅度較小,而SQ和SJ提升幅度較大.土壤酸化的原因是土壤中H+的增加或鹽基離子的減少,土壤酸化往往會導致土壤中化學平衡遭到嚴重破壞.土壤酸化程度及速度受自然和人為諸多因素影響,其中不當的農業措施是目前加速土壤酸化的主要原因.已有研究表明,秸稈還田和合理輪作均能有效緩解土壤酸化[9],這與本研究的結論一致.水稻-西瓜(SX)輪作不能改變土壤pH,可能與西瓜根系釋放質子較多有關[10].

注:圖中誤差棒上方不同字母代表差異顯著(P<0.05),下同圖1 不同處理土壤pH

圖2 不同處理土壤有機質含量

2.2秸稈還田條件下水稻-瓜菜輪作對土壤有機質含量的影響

土壤不僅是植物生長的載體,還是自然界重要的碳庫.土壤有機質含量是衡量土壤質量及供肥能力的主要指標之一.由圖2可知,盡管SS處理秸稈還田量高于水稻-瓜菜輪作處理,但其有機質含量與JC比較沒有顯著(P<0.05)提升;而各水稻-瓜菜輪作處理土壤有機質含量均顯著高于JC和SS.這一方面可能由于在瓜菜種植前曾施用商品有機肥,而有機肥帶入和轉化為有機質的量高于秸稈還田;另一方面可能與輪作刺激土壤微生物活性,加快了土壤中有機物轉化為有機質的速率有關[11].同時,這一研究結果再次證明秸稈還田和水旱輪作有利于土壤有機質的積累.作物秸稈中含有大量有機物質,還田后可直接提高土壤中有機質含量,然而這類有機物質需要在微生物及土壤酶等作用下分解轉化成腐殖質類物質,才能補充土壤中有機質含量.事實上,秸稈還田提高土壤有機質含量主要是通過微生物分解還田有機物料及其腐解物并轉化成活性有機碳來實現.本研究SS處理土壤有機質含量與JC比較沒有顯著提升,可能是秸稈還田持續時間較短,且試驗所在地氣候高溫濕潤,土壤有機質礦化速率較快,秸稈還田導致的土壤有機質的增量與土壤呼吸增強導致的土壤有機質的減量相抵消所導致.

2.3秸稈還田條件下水稻-瓜菜輪作對土壤全氮和堿解氮含量的影響

氮素是生態環境系統中構成生命體的重要成分,也是農作物必需的大量營養元素.如圖3所示,水稻連作(SS)秸稈還田處理土壤無論全氮含量還是堿解氮含量均與JC無顯著性差異(P<0.05).除SJ處理外,其他水稻-瓜菜輪作處理土壤全氮含量均有明顯升高,與JC比較提升了29.5%～40.0%,與SS比較提升了9.8%～18.6%.SQ、SH和SC處理土壤堿解氮含量顯著高于JC(P<0.05);但除SQ外,其他水稻-瓜菜輪作處理土壤堿解氮含量均與SS無顯著性差異(P<0.05).通常,秸稈在土壤微生物作用下的礦化作用能促進土壤氮素的循環,提升土壤中氮素的有效性,但其效果受秸稈本身的碳/氮和種植過程的氮肥投入量影響:秸稈的碳/氮遠高于土壤微生物的碳/氮,因此土壤微生物分解秸稈的過程須要吸收土壤中已有的無機氮,因此高氮肥用量的農田(如各水稻-瓜菜輪作處理)有利于土壤微生物對秸稈的礦化[12].本研究SS處理與JC比較未能顯著提升土壤全氮和堿解氮的含量,也可能與水稻連作處理無機氮肥用量較低,加之作物吸收,導致秸稈還田后土壤中的碳/氮未能達到微生物礦化有機質的合理比例有關.

圖3 不同處理土壤全氮(A)和堿解氮(B)含量

2.4秸稈還田條件下水稻-瓜菜輪作對土壤全磷和有效磷含量的影響

SS處理土壤全磷及有效磷含量與JC相比無顯著性(P<0.05)差異(圖4);除SH處理外,其他水稻-瓜菜輪作處理土壤全磷含量均顯著高于JC和SS處理;除SX處理外,其他水稻-瓜菜輪作處理土壤有效磷含量均顯著高于JC和SS處理.作物對磷素的需求是通過土壤中的磷素循環來滿足的[13].隨著大量氮肥的投入,土壤有效磷含量已成為許多農田生產力的限制因子.在本研究中,水稻-瓜菜處理不僅有大量秸稈還田以補充農田作物吸收的磷素,還在種植瓜菜時投入磷肥以增加土壤有效磷含量;同時秸稈還田-水旱輪作處理還有利于土壤中磷酸酶活性的提升,進而加強土壤有機磷的礦化[14],因此秸稈還田條件下的水稻-瓜菜輪作有助于土壤全磷和有效磷含量的提升.

圖4 不同處理土壤全磷(A)和有效磷(B)含量

2.5秸稈還田條件下水稻-瓜菜輪作對土壤全鉀和速效鉀含量的影響

不同處理對土壤全鉀和速效鉀含量的影響與氮、磷基本一致(圖5):在2年的試驗結束后,SS處理土壤全鉀和速效鉀含量與JC均無顯著性差異;除SJ處理外,其他水稻-瓜菜輪作處理土壤全鉀均顯著(P<0.05)高于SS;除SQ處理外,其他水稻-瓜菜輪作處理土壤速效鉀含量均顯著(P<0.05)高于JC.秸稈中的鉀主要以離子態存在[15],因此秸稈還田后鉀元素向土壤的釋放速率主要受降水量、土壤含水量等因素的影響[16].已有研究表明,水旱輪作時采取秸稈還田不僅能夠提升土壤的供鉀能力,提高作物產量,還能促進土壤中非交換態鉀素向交換態鉀素的轉化并維持新的動態平衡[17].本研究的結果進一步表明,秸稈還田條件下水稻-瓜菜輪作能夠有效提升土壤全鉀和速效鉀的含量.

圖5 不同處理土壤全鉀(A)和速效鉀(B)含量

3 結 論

(1)水稻連作時秸稈還田,2年后農田土壤pH提升0.53個單位;水稻-瓜菜輪作時秸稈還田,也可有效提升土壤pH,但水稻與不同種類瓜菜輪作時效果有異.

(2)水稻連作時秸稈還田,2年后土壤有機質含量未有顯著變化;水稻-瓜菜輪作時秸稈還田可顯著提高土壤有機質含量.

(3)水稻連作時秸稈還田,2年后土壤全量養分(氮、磷、鉀)和有效養分(堿解氮、有效磷、速效鉀)含量均未見升高;水稻-瓜菜輪作時秸稈還田則可有效提升土壤全量養分和有效養分含量.

[1]崔新衛,張楊珠,吳金水,等.秸稈還田對土壤質量與作物生長的影響研究進展[J].土壤通報,2014,45(6):1527-1532.

[2]趙秀玲,任永祥,趙鑫,等.華北平原秸稈還田生態效應研究進展[J].作物雜志,2017(1):1-7.

[3]WIHELM W W,JOHNSON J M,KARLEN D L,et al.Corn stover to sustain soil organic carbon further constrains biomass supply[J].Agronomy Journal,2007,99(6):1665-1667.

[4]潘劍玲,代萬安,尚占環,等.秸稈還田對土壤有機質和氮素有效性影響及機制研究進展[J].中國生態農業學報,2013,21(5):526-535.

[5]KE X,SCHEU S.Earthworms,collembola and residue management change wheat (Triticum aestivum) and herbivore pest performance (Aphidina:Rhophalosiphum Padi)[J].Oecologia,2008,157(4):603-617.

[6]郝旺林,梁銀麗,朱艷麗,等.農田糧-菜輪作體系的生產效益與土壤養分特征[J].水土保持學報,2011,31(2):46-51.

[7]孫吉慶,盛萍萍,陳可,等.蔬菜作物輪作對西瓜連作土壤微生物種群和土壤酶活性的影響[J].北方園藝,2011(16):20-22.

[8]趙懷寶,杜前進,陳慶斯,等.三亞市典型生態農業模式及其優化[J].瓊州學院學報,2014,21(2):82-87.

[9]杜前進,陳川平,李鵬.三亞市海棠灣區耕地土壤養分狀況及施肥建議[J].瓊州學院學報,2016,23(2):74-79.

[10]RICHARDSON A E,BAREA J M,MCNEILL A M,et al.Acquisition of phosphorus and nitrogen in the rhizosphere and plant growth promotion by microorganisms[J].Plant and Soil,2009,321:305-339.

[11]高菊生,徐明崗,董春華,等.長期稻-稻-綠肥輪作對水稻產量及土壤肥力的影響[J].作物學報,2013,39(2):343-349.

[12]陳珊,丁咸慶,祝貞科,等.秸稈還田對外源氮在土壤中轉化及其微生物響應的影響[J].環境科學,2017,38(4):1613-1621.

[13]KRMER S,GREEN D M.Acid and alkaline phosphatase dynamics and their relationship to soil microclimate in a semiarid woodland[J].Soil Biology and Biochemistry,2000,32(2):179-188.

[14]戰厚強,顏雙雙,王家睿,等.水稻秸稈還田對土壤磷酸酶活性及速效磷含量的影響[J].作物雜志,2015(2):78-83.

[15]LI J F,LU J W,LI X K,et al.Dynamics of potassium release and adsorption on rice straw residue[J].PLoS One,2014,9(2):e90440.

[16]RODRIGUEZ-LIZANA A,CARBONELL R,GONZALEZ P,et al.N,P and K released by the field decomposition of residues of a peawheat-sunflower rotation[J].Nutrient Cycling in Agroecosystems,2010,87(2):199-208.

[17]李繼福,薛欣欣,李小坤,等.水稻-油菜輪作模式下秸稈還田替代鉀肥的效應[J].植物營養與肥料學報,2016,22(2):317-325.

EffectofRice-VegetableRotationonSoilFertilityunderStrawReturning

SHI Yun-feng,ZHOU Na-na, LI Ming, ZHAO Mu-qiu

(School of Life Science and Ecology, Hainan Tropical Ocean University, Sanya Hainan 572022, China)

In order to conduct research on the effect of rice-vegetable rotation on soil fertility under straw returning, a field experiment, which lasted two years, was carried out.Six treatments—rice-rice (SS), rice-watermelon (SX), rice-cucumber (SQ), rice-cowpea (SJ), rice-okra (SH), and rice-strawberry (SC) —were set up, and soil pH and fertility indexes were examined before and after the experiment.The results showed that continuous rice cropping increased soil pH significantly (P<0.05) under straw returning, while the soil fertility was unaffected.The treatments of rice-vegetable rotation and straw returning not only raised soil pH, but also promoted soil organic matter, total nutrients (total nitrogen, total phosphorus and total potassium) and available nutrients—alkali hydrolyzable nitrogen, available phosphorus and available potassium—content.The results also indicated that the effect of rotation of rice and various kinds of vegetables are different on soil fertility.

straw returning; rice; rotation; soil fertility

格式：史云峰,周娜娜,黎明,等.秸稈還田條件下水稻-瓜菜輪作對土壤肥力的影響[J].海南熱帶海洋學院學報,2017,24(5):76-80.

2017-08-13

海南省自然科學基金項目(20153109);海南耕地改良關鍵技術研究與示范專項及其配套項目(HNGDgl201501, 2015PT28); 三亞農業科技創新項目(2014NK25)

史云峰(1981-),男,內蒙古赤峰人,海南熱帶海洋學院生命科學與生態學院教授,博士,研究方向為土壤與植物營養學.

趙牧秋(1983-),女,遼寧沈陽人,海南熱帶海洋學院生命科學與生態學院教授,博士,研究方向為農業生態學.

S513

A

2096-3122(2017) 05-0076-05

10.13307/j.issn.2096-3122.2017.05.13

(編校李由明)